減輕重量,是飛機設計制造的重要追求,能夠賦予軍用飛機更強的飛行性能、提升民航飛機的燃油經濟性。但如果飛機上的板狀零部件的厚度太薄,則會面臨強度、剛度不足的問題。相比于增加支撐框架,在兩層面板間添加輕質、剛性的夾芯材料能夠在不顯著增加重量的情況下,大幅提升承載能力。
在玻璃纖維增強環氧樹脂(玻璃鋼)制成的蒙皮內外表面之間填充一層輕木或者泡沫塑料芯材。輕木也是最早用在飛機上的夾芯材料,例如二戰期間著名的木質飛機——英國蚊式轟炸機,由兩層樺木夾一層輕木的膠合板制成。
在現代航空工業中,所采用的芯材包括蜂窩結構和泡沫塑料。看似柔弱的蜂窩,卻能承受重卡的碾壓,因為穩定的蜂窩狀網格結構阻礙了屈曲變形,這和瓦楞紙制成的紙板箱具有很強抗壓能力的原理是一樣的。
鋁是飛機上應用最多的金屬,采用鋁合金面板+鋁蜂窩夾芯的結構也就順理成章。
這是一段VFW614型飛機的機翼,其機翼后緣和擾流板由鋁蜂窩結構直接做出相應的造型。
順便提一嘴,這個VFW614是一款發動機架在機翼之上的奇葩,由西德的聯合航空技術-福克(VFW-FOKKER)飛機公司研制,是一款載客40人的短程客機,1971年首飛,是西德在第二次世界大戰后首次開發噴氣式民航客機(東德的嘗試是1958年首飛的巴德152型客機)。這款飛機并未取得商業上的成功,總共只制造了13架,但仍堪稱德國航空工業的里程碑。之后更為人稱道的故事,就是法德合作的空中客車公司與美國波音公司的分庭抗禮。
當復合材料被越來越多地應用于飛機制造,鋁蜂窩能不能也被取代呢?
國外于1967年開始芳綸的工業化生產,而我國的芳綸產業起步于上世紀80年代,曾與國外有較大差距,面臨國外企業的技術封鎖,芳綸纖維和芳綸紙長期依賴進口。煙臺民士達(生產氨綸和芳綸的泰和新材的子公司)與陜西科技大學的制漿造紙工程教授張美云合作,打破國外壟斷,實現芳綸紙的國產化,目前國內還有超美斯新材料、深圳昊天龍邦復合材料公司等能夠量產芳綸紙。
正是當代蔡倫的努力,讓中國飛機擁有輕盈強健的身軀。